15. Повышение мощности полупроводниковых генераторов и освоение миллиметрового диапазона волн

232

диодов (из-за высших типов колебаний).

Варианты сумматора Курокавы использовались для получения на ЛПД импульсной мощности 20,5 Вт на частоте 92,4 ГГц с эффективностью суммирования 82% (два ЛПД) и 9,2 Вт импульсной мощности на частоте 140 ГГц с эффективностью 80 % (четыре ЛПД). Эта же конструкция с соответствующими изменениями работала на частоте 217 ГГц, и позволила получить выходную мощность 1,05 Вт от двух диодов при эффективности суммирования 87%.

Сумматоры с гибридным мостом обычно служат в качестве усилителей или генераторов с внешней синхронизацией; эти устройства имеют 5%-ную полосу частот и схемную развязку между отдельными генераторами. К входным плечам гибридного сумматора можно подключать генераторы, мощность которых просуммирована другим методом, например, резонаторным. В W- диапазоне сумматор на гибридном мосте, например, использовался для суммирования мощностей четырех двухдиодных сумматоров, в результате чего была получена максимальная импульсная мощность 63 Вт .

Выражение для эффективности суммирования мощностей η в схеме с гибридным мостом и двумя источниками, работающей в режиме усилителя, имеет вид

ния, необходимого для оптимального режима сложения мощностей.

Фазовая ошибка более критична, чем разность мощностей, поскольку эффективность суммирования мощностей, превышающая 50 %, может быть получена в широком диапазоне разности мощностей, если отклонение фазы не пре-

233

зоне.

Дискообразные резонаторы, применяемые в ряде случаев для монтажа генераторов на диодах Ганна, могут служить для суммирования мощностей этих приборов. Такой сумматор показан на рис.15.4,а, где две ди скообразные резонансные структуры установлены в общем волноводе с подвижным короткозамыкателем. Можно также поместить оба генератора под единственный диск (рис.15.4,б). Такое устройство использовалось для суммирования мощностей четырех генераторов диапазона 70 ГГц на InР-диодах Ганна; на нем удалось получить выходную мощность 260 мВт при эффективности 93%. В таблице 15.1 представлены результаты, полученные на частоте 90 ГГц для нескольких двух- и четырехдиодных дисковых резонаторных сумматоров мощностей.

Существует ряд других методов суммирования мощностей, которые в настоящее время не применяются в ближнем миллиметровом диапазоне, но, судя по всему, окажутся полезными после доработки. В частности, суммирование мощностей на уровне кристалла, которое дало хорошие результаты на частотах до 70 ГГц, можно будет считать перспективным при условии, что удастся решить проблемы паразитных элементов и отвода тепла.

15.3. Освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов

Расширение рабочего диапазона в сторону высоких частот всегда являлось центральной задачей электроники вообще и полупроводниковой электроники в частности. Последняя, как было показано выше, успешно освоила диапазон сантиметровых, миллиметровых и начинает продвижение в область субмиллиметровых волн. Задача освоения этих диапазонов уже

трудности, вызванные увеличением рабочих плотностей тока и напряжений, снижением КПД приборов и т. п. Для полупроводниковых приборов ситуация оказывается в определенной степени более благоприятной, например, рабочее напряжение ЛПД, диодов Ганна, транзисторов не растет, а уменьшается с ростов частоты, легче реализуется требуемая плотность тока.

Первые полупроводниковые источники мощности миллиметрового диапазона – умножительные диоды и ЛПД, появились еще в 60-х годах на заре по-

234

лупроводниковой СВЧ-электроники. Несмотря на значительные усилия, до сих пор не удалось придумать специальных полупроводниковых приборов, для которых миллиметровый диапазон был бы оптимальным. Освоение этого диапазона идет путем повышения предельных частот традиционных приборов – ЛПД, диодов Ганна, умножительных, параметрических и смесительных диодов. Естественно, что по мере укорочения рабочей длины поля трудность создания таких приборов быстро возрастает, в частности, уменьшается пропорционально f –2 полезная мощность приборов, падает их КПД, растет шум, более того, в коротковолновой части миллиметрового диапазона на частотах выше 100 – 250 ГГц эти трудности становятся принципиальными: для многих приборов нарушается сам механизм их работы. Это относится не только к транзисторам, но и к более высокочастотным диодам Ганна и ЛПД. По существу лишь смесительные диоды с барьером Шоттки сохраняют удовлетворительные параметры и на всем протяжении субмиллиметрового диапазона длин волн.

Когда исчерпываются возможности ЛПД и диодов Ганна, для получения СВЧ-сигнала используются умножительные диоды из кремния и арсенида галлия. Хотя эффективность преобразования быстро падает с ростом частоты, применение умножительных диодов позволяет перекрывать (на микроваттном уровне мощности) и субмиллиметровый диапазон. Наиболее эффективны в этом диапазоне лавинные умножительные диоды.

Полупроводниковые параметрические усилители (ППУ) на арсенид-

галлиевых параметрических диодах реализованы на частотах до 75 ГГц, где их коэффициент шума составляет примерно 3 дБ. Дальнейшее увеличение рабочих частот и чувствительности ППУ затруднено не столько отсутствием соответствующих параметрических диодов (предельные частоты бескорпусных параметрических диодов с сотовой структурой из арсенида галлия в настоящее время превышают 1000 ГГц), сколько отсутствием источников накачки достаточно высоких частот.

Рассмотрим подробнее перспективы дальнейшего повышения рабочих частот основных полупроводниковых СВЧ-приборов.

Полевые транзисторы. Полевые транзисторы (ПТ) эффективно работают на частотах, меньших предельной частоты усиления по току,

скорость; L – длина затвора.

Уже созданы ПТ из арсенида галлия на частоту 30 ГГц с коэффициентом шума 6 дБ. Длина затвора в этих транзисторах составляет 0,5 мкм. В ряде стран выполняются программы по созданию ПТ с L ≈ 0,2 – 0,15 мкм методами электронной и рентгеновской литографии.

Время движения заряда в канале тем меньше, чем больше их дрейфовая скорость на этом участке v(x). В кремнии и других гомеополярных полупровод-

235

никах с сильным акустическим рассеянием максимальная дрейфовая скорость электронов практически не превышает так называемой скорсти насыщения vS

≈107 см/с.

В гетерополярных соединениях типа А3B5, в которых при комнатных температурах преобладает рассеяние на оптических фононах, скорость дрейфа электронов в короткие промежутки времени (около 10–11 c) после включения сильного электрического поля может в несколько раз превысить стационарное значение. Этот эффект «всплеска» дрейфовой скорости электронов значительно увеличивает fгр ПТ с коротким затвором.

Величина «всплеска» скорости и его длительность зависят от параметров материала, определяющих характерные времена внутри- и междолинного рассеяния электронов, и от приложенного электрического поля. Подбирая последнее, можно минимизировать время пролета электроном канала заданной длины L и найти соответствующее этому L максимальное значение fT. Расчеты показывают, что при пра ктически достижимых размерах L ≈ 0,15 – 0,2 мкм величины fT значительно превышают 100 ГГц. Поскольку точные значения параметров рассеяния для фосфида индия и арсенида галлия пока неизвестны, эти цифры следует рассматривать как ориентировочные.

Дальнейшие перспективы связаны с применением для ПТ новых полупроводниковых материалов, в первую очередь твердых растворов соединений

А3B5. В частности, соединение Ga0,47In0,53As примерно в 1,5 раза превосходит GaAs по подвижности и максимальной дрейфовой скорости электронов. По

оценкам ПТ из этого материала с L = 0,2 мкм должен иметь коэффициент шума менее 10 дБ на частотах до 75 – 80 ГГц.

Диоды Ганна. Недавние исследования [19] показывают, что их предельную частоту можно повысить, подбирая амплитуду высокочастотного электрического поля, его гармонический состав, длину диода и распределение примеси в нем. Оптимизация указанных параметров позволит, вероятно, реализовать диоды Ганна из арсенида галлия и фосфида индия во всем миллиметровом диапазоне волн.

Лавинно-пролетные диоды. Высокочастотный предел ЛПД определяется не столько инерционностью процесса ударной ионизации, характерное время которого составляет около 10–15 с, сколько другими факторами – диффузионным расплыванием электронных сгустков в пролетном пространстве и ростом напряженности электрического поля в слое умножения, приводящим к ослаблению полевой зависимости («насыщению») скорости ударной ионизации и к смене лавинного пробоя туннельным. Диффузионный предел определяется частотой

где D – коэффициент диффузии электронов в сильных полях.

А переход к туннельному пробою соответствует частотам выше

236

где Wg – ширина запрещенной зоны, Et – характерное поле туннельного пробоя.

Таким образом, для ЛПД предельные частоты также определяется параметрами полупроводникового материала. Они растут с увеличением ширины запрещенной зоны и скорости дрейфа электронов и с уменьшением их коэффициента диффузии. Согласно оценкам, для арсенида галлия эти частоты лежат в области 80 – 100 ГГц, для кремния – существенно выше – 200 – 250 ГГц. Те же параметры плюс максимальная допустимая температура и теплопроводность ограничивают на высоких частотах энергетические возможности как ЛПД, так и других мощных приборов (таких как p-i-n-диоды, варакторы и т. п.).

Для всех этих приборов дальнейшие перспективы связаны с освоением новых материалов, в первую очередь широкозонных и высокотемпературных материалов таких, как карбид кремния, алмаз, нитриды галлия и алюминия.

Для повышения частотного предела ЛПД решающее значение имеет то обстоятельство, что с переходом к широкозонным материалам резко уменьшается длина свободного пробега ионизирующих носителей тока: от 60 – 100 Å для арсенида галлия до 5 – 10 Å для алмаза. Это обеспечивает сохранение резкой зависимости скорости ударной ионизации от электрического поля в очень тонких (менее 0,1 мкм) слоях полупроводника, необходимой для формирования узких электронных пакетов, и, следовательно, сохранение эффективности ла- винно-пролетного механизма вплоть до частот 500 – 700 ГГц.

Гетероструктуры. Новые возможности повышения рабочих частот и улучшения характеристик полупроводниковых СВЧ-приборов открывает другое материаловедческое направление – создание многослойных периодических гетероструктур из полупроводниковых и диэлектрических материалов. Эти структуры можно разбить на две группы: микроструктуры, так называемые «сверхрешетки», из материалов, различающихся шириной запрещенной зоны, с большим (более 100) числом слоев, толщины которых меньше длины свободного пробега электронов ℓ (т.е. менее 100 Å), и макроструктуры, состоящие из материалов, различающихся значениями электропроводности, диэлектрической проницаемости или дрейфовой скорости электронов с небольшим (10–20) числом слоев, толщина которых существенно больше длины свободного пробега электронов. В сверхрешетках, вследствие брэгговского отражения электронных волн от границ слоев в направлении, нормальном к этим границам, должна наблюдаться ОДП с частотным пределом, определяемым штарковской частотой

где e – заряд электрона, d – толщина слоя, h – постоянная Планка.

При типичных значениях электрического поля E = 104 В/см и толщины слоя d = 10–6 см частота fГ ≈ 2000 ГГц. Принципиальная трудность реализации

такой ОДП связана с необходимостью выполнения условия ℓ >> d. По этой

237

причине ОДП в сверхрешетках удалось наблюдать пока только при гелиевых температурах.

Недавно был предложен другой интересный вариант сверхрешетки. Если в сверхрешетке слои широкозонного материала легировать сильно, а узкозонного слабо, то свободные носители заряда, «скатываясь» в потенциальные ямы, будут накапливаться в слабо легированных слоях. В последних формируется двумерный газ носителей заряда, которые при высокой концентрации (около 1017 см–3) сохраняют в направлении, параллельном границам слоев, высокую подвижность, соответствующую чистому материалу. Подобные структуры могут использоваться для улучшения параметров с (анизотропной) электропроводностью, превышающей максимальную электропроводность обоих полупроводников, и т. п.

Из различных вариантов макрорешеток упомянем два. Один из них – это периодические структуры из чередующихся слоев полупроводника и диэлектрика толщиной от единицы до сотен микрон каждый. В направлении, нормальном к границам слоев. Такая структура обладает свойствами нелинейной объемной реактивности и может использоваться для преобразования частоты во всем диапазоне СВЧ, включая его коротковолновую часть.

Другой вариант макрорешеток составляется из чередующихся слоев полупроводника, отличающихся значением диэлектрической проницаемости или дрейфовой скорости электронов. Использование этих структур в СВЧ-приборах позволит ослабить ограничения, накладываемые на размеры активных областей требованием малости углов пролета электронов, Например, в ЛПД миллиметрового диапазона можно существенно (в 10 и более раз) увеличить объем пролетного пространства, а следовательно, и мощность ЛПД.

Таким образом, перспективы освоения полупроводниковыми приборами миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов связаны, прежде всего, с расширением круга используемых полупроводниковых материалов и созданием разнообразных гетероструктур.

Контрольные вопросы

1.Каким образом можно в качестве сумматора мощностей генераторов использовать двойной волноводный тройник?

2.Какие элементы должны содержать цепочная схема сложения мощностей в квазиоптическом лучеводе?

3.Какие особенности конструкции сумматора мощностей твердотельных генераторов на объемном резонаторе?

4.Какие особенности конструкции сумматора мощностей с доскообразными резонаторами?

5.Как оценивается граничная частота усиления ПТ?

6.Как определяется высокочастотный предел ЛПД?

7.Какие способы повышения рабочих частот за счет создания многослойных периодических гетероструктур?

238

Задачи

1. Диод Ганна используется в коаксиальном генераторе для создания СВЧизлучения на частоте 9,7 ГГц. Интервал между токовыми импульсами 0,1 нс и скорость домена 105 м/с. Рассчитайте длительность токовых импульсов.

ОТВЕТ: 3 пс.

2. Произведение радиочастотной выходной мощности на сопротивление нагрузки и на квадрат максимальной частоты генерации является постоянной величиной для любого устройства с переносом электронов. Рассчитайте выходную мощность для ганновского генератора, который работает на максимальной частоте 70,7 ГГц при нагрузке 300 Ом, если другое такое же устройство выдает 50 мВт непрерывной мощности на максимальной частоте 10 ГГц при такой же нагрузке.

ОТВЕТ: 1 мВт.

3. Однопролетный кремниевый ЛПД работает при постоянном напряжении питания 70 В. Максимальное электрическое поле внутри устройства, необходимое для лавинного пробоя, составляет 2,7∙103 В/м, и в конце пролетной области электрическое поле уменьшается до величины вдвое меньшей, чем поле насыщения.

Рассчитайте:

а) длину пролетной области; б) собственную частоту генерации устройства.

Предполагается линейная зависимость изменения электрического поля от расстояния вдоль пролетной области. Принять, что минимальное электрическое поле, необходимое для "насыщения", равняется 1,43∙102 В/м, дрейфовая скорость 105 м/с.

ОТВЕТ: 2,9 мкм; 17,24 ГГц.

4. Произведение радиочастотной мощности на реактивное сопротивление устройства и на квадрат рабочей частоты является величиной постоянной для любого ЛПД. Два устройства, один – ЛПД, а другой – диод Ганна, предназначенны для работы на частоте 10 ГГц и имеют следующие параметры:

5. ЛПД имеет зависимость отрицательного сопротивления от максимального радиочастотного тока, представленную на рисунке:

ЛПД можно представить в виде эквивалентной схемы, содержащей отрицательное сопротивление, подключенное последовательно к емкости диода 0,2 пФ. Внешнюю нагрузку можно представить в виде последовательного соединения сопротивления и индуктивности. Если на выходе надо получить 0,15 Вт СВЧ-мощности, рассчитайте, какие должны быть:

а) отрицательное сопротивление диода в соответствующей рабочей точке; б) значение индуктивности, чтобы настроить диод на частоту 12 ГГц;

в) КПД генератора (если Uсмещения = 70 В, Iсмещения = 0,2 А).

Кратко объясните проблему, связанную с величиной сопротивления диода, и укажите, как ее можно преодолеть в реальных структурах резонаторов.

ОТВЕТ: 13 Ом; 0,88 нГн; 1,07 %.

6. Твердотельный СВЧ-усилитель запитывается от шины постоянного напряжения 10 В. Для достижения на выходе 1 Вт переменной мощности усилитель потребляет 1 А постоянного тока от источника питания и получает мощность 0,2 Вт от внешнего источника переменного напряжения. Рассчитайте общий КПД усилителя с учетом мощности внешнего источника и без ее учета. Прокомментируйте разницу.

ОТВЕТ: 9,8 %; 10 %.

7. Необходимо получить приблизительно одну и ту же выходную мощность (2 Вт) от двух кремниевых ЛПД, которые имеют абсолютно идентичные структуры, но разные значения емкости. Один диод работает на частоте 22 ГГц, другой – на 30 ГГц. Рассчитайте:

а) емкость каждого диода; б) эффективные с точки зрения регулировки значения индуктивности каждо-

го из двух резонаторов, в которых должны работать эти ЛПД. Как можно эту индуктивность реализовать на практике?

ОТВЕТ: а) – 0,029 пФ и 0,0395 пФ, б) 1,8 нГн и 0,71 нГн.